基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管及其制备方法技术

本发明专利技术提出了一种基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管及其制备方法。该二极管的结构包括自下而上依次设置的阴极、N+衬底、JBS结构和阳极，JBS结构包括N

【技术实现步骤摘要】
基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管及其制备方法


[0001]本专利技术涉及超宽禁带半导体功率器件领域，具体涉及一种新型的基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管及其制备方法。

技术介绍

[0002]以金刚石、Ga2O3、AlN等材料为代表的超宽禁带半导体表现出远大于传统宽禁带半导体(GaN、SiC等)的禁带宽度，在功率器件、射频器件等领域有着广阔的应用前景。Ga2O3作为一种超宽禁带半导体，有着较大的禁带宽度(4.5
‑
4.9eV)及高击穿场强(8MV/cm)；Baliga优值高于3000，是GaN与SiC的5到10倍左右；并且易于在10
16
cm
‑3至10
19
cm
‑3的浓度范围进行n型可控掺杂。Ga2O3有α、β、γ、ε、κ五个相，其中β
‑
Ga2O3有着最好的热稳定性，并且通过熔融生长法易于制备高质量单晶。因此目前大部分Ga2O3功率器件相关研究都是基于β
‑
Ga2O3的。
[0003]然而，Ga2O3在研究中仍面临诸多技术挑战。目前Ga2O3难以实现稳定的P型掺杂，因此相关研究主要集中于肖特基二极管(SBD)等单极性器件方面。尽管SBD相较于PN结有高开关速度和低正向压降的优势，然而其反向击穿电压相对较低，反向漏电流较为严重。相比而言，结势垒肖特基二极管(Junction
‑
barrier Schottky diode，JBS)结构集合了SBD正向导通损耗低和PN结反向击穿电压高，关态损耗低等优点。
[0004]目前JBS结构通常的实现方案为：在衬底表面光刻形成图案，以光刻胶为掩膜对衬底进行刻蚀形成沟槽，在沟槽中生长P型材料，去除光刻胶后蒸镀金属，与衬底形成肖特基接触。P型材料于反向偏压时与N型衬底形成侧向PN结，夹断中间部分的电流，从而屏蔽较低势垒的肖特基结，获得比传统SBD更好的反向特性。在制备过程中也可以不进行衬底刻蚀，以光刻胶为掩膜直接生长P型材料，剥离光刻胶后再蒸镀金属。
[0005]JBS结构已在Ga2O3中得到实现(如Q.Yan,H.Gong,J.Zhang et al,Appl.Phys.Lett.118,122102(2021),2021年)，但衬底刻蚀，材料生长必然需要掩膜覆盖部分区域以形成JBS结构，而硬掩膜无法实现几微米尺寸的图案，因此需要光刻技术，以光刻胶作为掩膜，这导致制备工艺较为复杂，需进行光刻图案的设计，并进行几微米尺寸的光刻。以自组装纳米岛作为掩膜这一技术目前主要用于刻蚀GaN或Ga2O3纳米柱，但是还没有研究将自组装纳米岛这一技术应用于JBS制备当中。

技术实现思路

[0006]针对现有JBS结构制备方法中存在的缺陷，本专利技术利用Ni薄膜在快速热退火下可形成纳米级Ni颗粒这一特性，以自组装Ni纳米岛代替光刻胶作为掩膜，来制备JBS功率二极管结构，可省去光刻步骤。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管，包括自下而上依次设置的阴极、N+衬底、JBS结构和阳极，所述JBS结构包括N
‑
漂移层、PN异质结和Ni纳米岛，其中，N
‑
漂移层上设有沟槽结构，位于沟槽内侧面和底部的P型金属氧化物与所述N
‑
漂移层构成PN异质结；Ni纳米
岛位于沟槽的顶部，与N
‑
漂移层形成肖特基接触；所述PN异质结与肖特基接触相并联。
[0009]进一步地，所述N+衬底和N
‑
漂移层均采用β
‑
Ga2O3晶体。
[0010]进一步地，所述Ni纳米岛直径为100
‑
500nm，其间距在百纳米级。
[0011]进一步地，所述P型金属氧化物的厚度为100
‑
300nm，N
‑
漂移层上的沟槽结构的深度为100
‑
300nm。
[0012]本专利技术提供一种基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管的制备方法，该方法的步骤为：在衬底表面蒸镀一层Ni薄膜，再进行快速热退火，利用Ni薄膜在快速热退火下形成的自组装Ni纳米岛作为金属掩膜，对N
‑
漂移层进行刻蚀形成沟槽结构，然后在沟槽结构中生长P型金属氧化物，位于沟槽内侧面和底部的金属氧化物与所述N
‑
漂移层形成侧向PN异质结，且该侧向PN异质结与沟槽顶部的Ni纳米岛形成的肖特基接触相并联，从而形成JBS结构。
[0013]进一步地，上述方法的具体步骤为：(1)利用电子束蒸发技术在衬底表面蒸镀一层厚度为5
‑
15nm的Ni薄膜；(2)对步骤(1)蒸镀好的样品在850℃进行快速热退火，退火时间为1
‑
5min，使Ni薄膜形成自组装的Ni纳米岛；(3)以所述Ni纳米岛为掩膜，用ICP工艺对N
‑
漂移层进行刻蚀形成沟槽结构；(4)利用电子束蒸发在衬底背面蒸镀Ti与Au；(5)对步骤(4)蒸镀好的样品进行快速热退火，使样品形成背面钛金欧姆接触；(6)用硬掩膜覆盖样品表面，利用磁控溅射在沟槽结构上生长百纳米级的P型金属氧化物；(7)利用电子束蒸发在样品表面蒸镀Ni与Au，制备正面镍金电极。
[0014]相比现有的利用光刻胶掩膜制备JBS结构的方法，本专利技术的优点在于：
[0015](1)利用Ni薄膜在快速热退火下形成的自组装纳米岛代替光刻胶作为掩膜，省去了光刻的步骤，大大简化了制备工艺，不仅缩短了制备周期，而且节约了成本。
[0016](2)利用本专利技术方法制备出的器件其反向特性较佳，类似于异质结；正向时表现出双势垒特征。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例中制备的JBS功率二极管的结构示意图。
[0018]图2为本专利技术实施例中Ni自组装纳米岛在扫描电子显微镜下的形貌图。
[0019]图3为本专利技术实施例中制备的二极管在线性坐标与对数坐标下的电流
‑
电压特性图。
[0020]图4为本专利技术实施例中制备的二极管的反向击穿特性图。
具体实施方式
[0021]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例只是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本专利技术范围的限制。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0022]本实施例中所用衬底为β
‑
Ga2O
3 HVPE外延片，衬底信息为，N+重掺层厚度为650μm，掺杂浓度为6
×
10
18
cm
‑3；表面漂移层厚度为10μm，掺杂浓度约为2
×
10
16
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管，包括自下而上依次设置的阴极、N+衬底、JBS结构和阳极，其特征在于，所述JBS结构包括N
‑
漂移层、PN异质结和Ni纳米岛，其中，N
‑
漂移层上设有沟槽结构，位于沟槽内侧面和底部的P型金属氧化物与所述N
‑
漂移层构成PN异质结；Ni纳米岛位于沟槽的顶部，与N
‑
漂移层形成肖特基接触；所述PN异质结与肖特基接触相并联。2.根据权利要求1所述的基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管，其特征在于，所述N+衬底和N
‑
漂移层均采用β
‑
Ga2O3晶体。3.根据权利要求1所述的基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管，其特征在于，所述Ni纳米岛直径为100
‑
500nm，其间距在百纳米级。4.根据权利要求1所述的基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管，其特征在于，所述P型金属氧化物的厚度为100
‑
300nm，N
‑
漂移层上的沟槽结构的深度为100
‑
300nm。5.如权利要求1所述基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管的制备方法，其特征在于，该方法的步骤为：在衬底表面蒸镀一层Ni薄膜，再进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶建东，胡天澄，巩贺贺，郁鑫鑫，徐阳，张贻俊，任芳芳，顾书林，张荣，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：